能量与节能在化工教学中的阐释.doc
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1、能量与节能在化工教学中的阐释 在节能减排的大背景下,合理阐释能量的转化与守恒关系成为化工教学中的重要内容。本文在系统介绍能量与能源类别的基础上,通过对不同能量相互转化路径的分析,引入和加强有效能概念,进而培养学生树立起正确的能源利用和开发理念,并使其了解和掌握化工生产中科学的节能方法和途径。 能源问题是当今社会发展遇到的重要问题,节能减排已成为当前工业生产的重要任务。1如果说实体物质是人类世界的承载基础,那么能量则是维持这个世界运行的保证。如果说循环经济的理念是实现物质的循环和利用,那么能量就是物质循环背后的推动力。在人类生活中,任何变化都离不开能量,无论是物理变化还是化学化学,以及形态、位置
2、等等的任何一个微小改变,都伴随着能量的变化过程。因此无论从局部还是整体,以物质为载体的能量转化与转移过程,都以不同形式主导了化学工业的生产。2 经过多年的发展,高等化工教学内容呈现出系统性强,按学科专业分类细化的特点。3但在多学科交叉、多种新技术应用的情况下,这容易造成基础知识的边缘化,从而不利于学生综合性“大工程观”概念的形成。4因此,在化工教学中打破能源、化学和化工等传统学科的划分,将相关内容融合在一起,更有利于揭示知识的本质联系,加强学科之间的联系,避免学科之间知识的脱节与重复,使学生对化工形成统一和整体的认识。 一、能量与能源 能量是度量物质运动的一种物理量,其不仅具有表现各异的形式,
3、不同形式的物质运动还可通过做功、传热等方式实现相互转换。在宏观上,物质所具有的动能和势能被合称为机械能。但在微观上,分子无规则运动所具有的平均动能则表现为热能,而以化学键为主要表现形式的势能则被称为化学能。相应于不同形式的运动,能量的单位有焦、千瓦时、电子伏(特)等。此外,自然界存在的能量还包括电能、辐射能和核能。严格来说,能量也不是绝对守恒的,如核能遵照质能方程可与质量发生相互转化。但在非发生核反应的情况下,质能之间的变化难以让人觉察,通常认为是遵循热力学第一定律的。 能源是可产生各种能量的物质的统称,是能够直接取得或者通过加工、转换而取得有用能的各种资源。按照不同的划分方式,能源可分为不同
4、的类型,5例如根据产生的方式可分为一次能源(天然能源)和二次能源(人工能源),根据能源消耗后是否造成环境污染可分为污染型能源和清洁型能源,根据能源使用的类型可分为常规能源和新型能源,按使用特性又可分为再生能源和非再生能源等。从宏观的角度来看,地球表面的总能量变化是守恒的,能量来源主要有太阳辐射能(1.741017W)、潮汐能(3.21012W)及地热和核能(3.21013W),其中被人类开发利用的矿物燃料和核能等仅占了总能源的很小部分(9.31012W)。 二、能量的相互转化 在利用天然能源的时候,往往需要将一次能源转化成方便使用的二次能源。6这种变换一般既包含能源类别的变化,也包含能量形态的
5、变化。在使用二次能源过程中,能又会发生转化。例如,汽车发动时,燃油所具有的化学能通过发动机会转化成机械能;在离子膜法生产氯碱时,电能会通过离子膜电解槽转化为氯碱产品所具有的化学能。使用能源的过程,实际上是就是能量的转化过程。 进行能量变换的目的有很多种,常见的有做功、控温、发光发热和制造信息载体等。在能量的变换过程中,凡是遵循经典力学、电磁学和热力学规律的变换叫宏观变换;凡遵循量子力学规律的变换叫微观变换,例如,由光量子与微观粒子的作用而引起的能的变换。此外,以卡诺循环为代表的速度无限慢的变换,被称为准静变换;而在实际应用中,具有一定速度的变换则被称为动态变换。 发生能的动态变换时,其变换量是
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